一种石墨烯官能杂化多面体低聚倍半硅氧烷可控折叠纳米结构材料的制备方法技术

一种石墨烯官能杂化多面体低聚倍半硅氧烷可控折叠纳米结构材料的制备方法，将官能化多面体低聚倍半硅氧烷分散于四氢呋喃中，加入反应底液中，然后加热至150‑200℃，在100‑150 rpm的搅拌速度下进行反应；加入氧化石墨烯溶液后再加入催化剂铂炭和缚水剂分子筛，在负压、加热和搅拌的条件下进行反应，反应结束后得到含有石墨烯官能杂化多面体低聚倍半硅氧烷可控折叠纳米结构材料的溶液；本发明专利技术由官能化多面体低聚倍半硅氧烷制备出的纳米结构可控折叠材料，内部碳原子之间连接柔韧，当施加外力于氧化石墨烯时，碳原子面可以很容易的弯曲，且碳原子无需偏移或者重排以适应外力，从而保持结构稳定。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯官能杂化多面体低聚倍半硅氧烷可控折叠纳米结构材料的制备方法
本专利技术属于石墨烯材料
，涉及一种石墨烯官能杂化多面体低聚倍半硅氧烷可控折叠纳米结构材料的制备方法。
技术介绍
中国科学院物理研究所高鸿钧团队通过STM(扫描隧道显微镜)中原子尺寸级别的探针操纵石墨烯单原子转动，在国际上首次实现了对石墨烯纳米结构原子级精准的可控折叠，包括：(1)、单层石墨烯纳米结构的原子级精准折叠、解折叠以及沿任意方向的反复折叠；(2)、堆叠角度精确可调的旋转堆垛的双层石墨烯纳米结构；(3)、手性结构与电子态精确可调的类一维碳纳米边界结构的构筑；(4)、双晶石墨烯纳米结构的可控折叠及其异质结。实现石墨烯纳米结构的可控折叠，对于构筑其他新型二维原子晶体材料纳米结构的折叠、量子材料及量子器件具有重要意义，但是，相关的应用及其深度并未达到该领域科研工作者的预期，主要原因有以下几点：1、石墨烯纳米结构原子级精准的可控折叠需要合适尺寸的石墨烯纳米片，但是石墨烯结构容易破坏、纳米片容易团聚和石墨烯本征缺陷等难题需要较长时间去攻克；2、单纯的物理折叠和复原，破坏率高，可重复性差，电子在折叠出来的非闭合结构上只能做一维的运动，诸多性能还是局限于在碳纳米管和石墨烯上，从而限制其在量子材料及量子器件上的发展和相关的应用；3、石墨烯纳米结构原子级精准的可控折叠作为前沿科技，研发主体以高校和研究机构为主，偏重于基础科学而非实用技术，高端生产工艺不成熟，尚无法实现低成本，而下游应用主体缺乏积极性，难以形成规模化产业。Polyhedraloligomericsilsesquioxane(多面体低聚倍半硅氧，缩写POSS)是一种新兴的分子杂化纳米有机硅材料，平均分子尺寸在1.5nm上下，由D.W.Scott在1946年最早发现，化学通式(RSi1.5)n，化学性质介于无机和有机之间，高分子链段和无归线团的大小与聚合物几乎相等，因此在制备无机/有机杂化材料方面具有得天独厚的优势。POSS由中空刚性骨架和外围有机基团组成，Si-O-Si键构成中空骨架，各类烯基、环氧基、氨基等活性有机基团或环己基、乙基、异丁基等惰性碳氢化合物包覆核结构，形成笼形或半笼形，特殊的结构赋予POSS分子可修饰的功能性，在一定条件下，可以对POSS分子进行设计以及合成出特定结构的大分子。石墨烯可在空气中或是被氧化性酸氧化，通过加热或在水中超声剥离可以制备出分离的氧化石墨烯纳米片层结构材料，该材料可以吸附POSS和其他有机基团，当POSS和其他有机基团作为给体或受体时可以改变石墨烯载流子的浓度，而氧化石墨烯本身却可以保持很好的导电性，氧化石墨烯也可以利用自身的双键，通过加成反应，加入POSS基团或其他性能需要的有机官能团以及合成高分子链。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种石墨烯官能杂化多面体低聚倍半硅氧烷可控折叠纳米结构材料的制备方法。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供的技术方案是：一种石墨烯官能杂化多面体低聚倍半硅氧烷可控折叠纳米结构材料的制备方法，包括下列步骤：步骤1：将官能化多面体低聚倍半硅氧烷分散于四氢呋喃中，得到质量浓度为1-5%的官能化多面体低聚倍半硅氧烷分散液；步骤2：将官能化多面体低聚倍半硅氧烷分散液加入反应底液中，然后加热至150-200℃，在100-150rpm的搅拌速度下反应1-5h；所述反应底液为酸性溶液或碱性溶液，所述酸性溶液为盐酸，浓度为0.01-1mol/L；所述碱性溶液为NaOH溶液，浓度为0.01-1mol/L；反应底液中的溶质与官能化多面体低聚倍半硅氧烷分散液中的官能化多面体低聚倍半硅氧烷的摩尔比为1:1-10；步骤3：然后向步骤2的反应体系中加入氧化石墨烯溶液；所述氧化石墨烯溶液的浓度为0.1-1mol/L；所述氧化石墨烯溶液中的氧化石墨烯与官能化多面体低聚倍半硅氧烷分散液中的官能化多面体低聚倍半硅氧烷的摩尔比为1:1-10；步骤4：向步骤3的反应体系中加入催化剂铂炭和缚水剂分子筛，在负压、加热和搅拌的条件下进行反应2-8h；负压为-0.09--0.10MPa，加热的温度为150-200℃，搅拌的速度为150-200rpm；催化剂铂炭为反应体系总质量的0.5-1.5%，缚水剂分子筛为反应体系总质量的1-2%；步骤5：反应结束后得到含有石墨烯官能杂化多面体低聚倍半硅氧烷可控折叠纳米结构材料的溶液；所述石墨烯官能杂化多面体低聚倍半硅氧烷可控折叠纳米结构材料为符合化学通式(A)的化合物中的至少一种：[(Rr1)n-m(SiO1.5)nRr1m]x[(Rr2)n-m(SiO1.5)nRr2m]yHk[(Rr3)n-m(SiO1.5)nRr3m]p[(Rr4)n-m(SiO1.5)nRr4m]q(A)；式中，x、y、p和q各自独立地代表0、1、2、3或4；且10≥x+y+p+q≥1；(Rr1)n-m(SiO1.5)n、(Rr2)n-m(SiO1.5)n、(Rr3)n-m(SiO1.5)n和(Rr4)n-m(SiO1.5)n是多面体低聚倍半硅氧烷结构通式，n各自独立地代表2、4、6、8、10、12、14、16、18或20，m各自独立地代表1、3、5、7或9，且Rr1、Rr2、Rr3和Rr4各自独立地代表氢、烷基、烷氧基、芳烷基、芳氧基、杂原子、链烯基、氟烃基、氯烃基、溴烃基、氰烃基、异氰酸烃基、羟烃基、巯烃基、氨烃基、环氧烃基、甲基丙烯酸酰氧烃基、叠氮或重氮烃基；Rr1、Rr2、Rr3和Rr4是氧化石墨烯桥接基；Hk是氧化石墨烯官能团。优选的技术方案为：所述石墨烯官能杂化多面体低聚倍半硅氧烷可控折叠纳米结构材料为符合下列通式的化合物中的至少一种：[(Rr1)n-m(SiO1.5)nRr1m]xHk(B)；x代表1、2、3或4；[(Rr1)n-m(SiO1.5)nRr1m]x[(Rr2)n-m(SiO1.5)nRr2m]yHk(C)；x和y各自独立选地代表0、1、2、3或4，且10≥x+y≥2；[(Rr1)n-m(SiO1.5)nRr1m]x[(Rr2)n-m(SiO1.5)nRr2m]yHk[(Rr3)n-m(SiO1.5)nRr3m]p(D)；x、y、p各自独立选地代表1、2或3，且10≥x+y+p≥2；[(Rr1)n-m(SiO1.5)nRr1m]x[(Rr2)n-m(SiO1.5)nRr2m]yHk[(Rr3)n-m(SiO1.5)nRr3m]p[(Rr4)n-m(SiO1.5)nRr4m]q(E)；x、y、p、q各自独立选地代表0、1、2或3，且10≥x+y+p+q≥2。优选的技术方案为：所述石墨烯官能杂化多面体低聚倍半硅氧烷可控折叠纳米结构材料为符合下列通式的化合物中的至少一种：[(Rr1)n-m(SiO1.5)nRr1m]xHk(B)；x代表2或4；[(Rr1)n-m(SiO1.5)nRr1m]x[(Rr2)n-m(SiO1.5)nRr2m]yHk(C)；...

【技术保护点】
1.一种石墨烯官能杂化多面体低聚倍半硅氧烷可控折叠纳米结构材料的制备方法，其特征在于：包括下列步骤：/n步骤1：将官能化多面体低聚倍半硅氧烷分散于四氢呋喃中，得到质量浓度为1-5%的官能化多面体低聚倍半硅氧烷分散液；/n步骤2：将官能化多面体低聚倍半硅氧烷分散液加入反应底液中，然后加热至150-200℃，在100-150 rpm的搅拌速度下反应1-5h；所述反应底液为酸性溶液或碱性溶液，所述酸性溶液为盐酸，浓度为0.01-1mol/L；所述碱性溶液为NaOH溶液，浓度为0.01-1mol/L；反应底液中的溶质与官能化多面体低聚倍半硅氧烷分散液中的官能化多面体低聚倍半硅氧烷的摩尔比为1:1-10；/n步骤3：然后向步骤2的反应体系中加入氧化石墨烯溶液；所述氧化石墨烯溶液的浓度为0.1-1mol/L；所述氧化石墨烯溶液中的氧化石墨烯与官能化多面体低聚倍半硅氧烷分散液中的官能化多面体低聚倍半硅氧烷的摩尔比为1:1-10；/n步骤4：向步骤3的反应体系中加入催化剂铂炭和缚水剂分子筛，在负压、加热和搅拌的条件下进行反应2-8h；负压为-0.09--0.10MPa，加热的温度为150-200℃，搅拌的速度为150-200rpm；催化剂铂炭为反应体系总质量的0.5-1.5%，缚水剂分子筛为反应体系总质量的1-2%；/n步骤5：反应结束后得到含有石墨烯官能杂化多面体低聚倍半硅氧烷可控折叠纳米结构材料的溶液；所述石墨烯官能杂化多面体低聚倍半硅氧烷可控折叠纳米结构材料为符合化学通式(A)的化合物中的至少一种：/n[(R...

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯官能杂化多面体低聚倍半硅氧烷可控折叠纳米结构材料的制备方法，其特征在于：包括下列步骤：
步骤1：将官能化多面体低聚倍半硅氧烷分散于四氢呋喃中，得到质量浓度为1-5%的官能化多面体低聚倍半硅氧烷分散液；
步骤2：将官能化多面体低聚倍半硅氧烷分散液加入反应底液中，然后加热至150-200℃，在100-150rpm的搅拌速度下反应1-5h；所述反应底液为酸性溶液或碱性溶液，所述酸性溶液为盐酸，浓度为0.01-1mol/L；所述碱性溶液为NaOH溶液，浓度为0.01-1mol/L；反应底液中的溶质与官能化多面体低聚倍半硅氧烷分散液中的官能化多面体低聚倍半硅氧烷的摩尔比为1:1-10；
步骤3：然后向步骤2的反应体系中加入氧化石墨烯溶液；所述氧化石墨烯溶液的浓度为0.1-1mol/L；所述氧化石墨烯溶液中的氧化石墨烯与官能化多面体低聚倍半硅氧烷分散液中的官能化多面体低聚倍半硅氧烷的摩尔比为1:1-10；
步骤4：向步骤3的反应体系中加入催化剂铂炭和缚水剂分子筛，在负压、加热和搅拌的条件下进行反应2-8h；负压为-0.09--0.10MPa，加热的温度为150-200℃，搅拌的速度为150-200rpm；催化剂铂炭为反应体系总质量的0.5-1.5%，缚水剂分子筛为反应体系总质量的1-2%；
步骤5：反应结束后得到含有石墨烯官能杂化多面体低聚倍半硅氧烷可控折叠纳米结构材料的溶液；所述石墨烯官能杂化多面体低聚倍半硅氧烷可控折叠纳米结构材料为符合化学通式(A)的化合物中的至少一种：
[(Rr1)n-m(SiO1.5)nRr1m]x[(Rr2)n-m(SiO1.5)nRr2m]yHk[(Rr3)n-m(SiO1.5)nRr3m]p[(Rr4)n-m(SiO1.5)nRr4m]q(A)；
式中，x、y、p和q各自独立地代表0、1、2、3或4；且10≥x+y+p+q≥1；(Rr1)n-m(SiO1.5)n、(Rr2)n-m(SiO1.5)n、(Rr3)n-m(SiO1.5)n和(Rr4)n-m(SiO1.5)n是多面体低聚倍半硅氧烷结构通式，n各自独立地代表2、4、6、8、10、12、14、16、18或20，m各自独立地代表1、3、5、7或9，且Rr1、Rr2、Rr3和Rr4各自独立地代表氢、烷基、烷氧基、芳烷基、芳氧基、杂原子、链烯基、氟烃基、氯烃基、溴烃基、氰烃基、异氰酸烃基、羟烃基、巯烃基、氨烃基、环氧烃基、甲基丙烯酸酰氧烃基、叠氮或重氮烃基；Rr1、Rr2、Rr3和Rr4是氧化石墨烯桥接基；Hk是氧化石墨烯官能团。


2.根据权利要求1所述的石墨烯官能杂化多面体低聚倍半硅氧烷可控折叠纳米结构材料的制备方法，其特征在于：所述石墨烯官能杂化多面体低聚倍半硅氧烷可控折叠纳米结构材料为符合下列通式的化合物中的至少一种：
[(Rr1)n-m(SiO1.5)nRr1m]xHk(B)；
x代表1、2、3或4；
[(Rr1)n-m(SiO1.5)nRr1m]x[(Rr2)n-m(SiO1.5)nRr2m]yHk(C)；
x和y各自独立选地代表0、1、2、3或4，且10≥x+y≥2；
[(Rr1)n-m(SiO1.5)nRr1m]x[(Rr2)n-m(SiO1.5)nRr2m]yHk[(Rr3)n-m(SiO1.5)nRr3m]p(D)；
x、y、p各自独立选地代表1、2或3，且10≥x+y+p≥2；
[(Rr1)n-m(SiO1.5)nRr1m]x[(Rr2)n-m(SiO1.5)nRr2m]yHk[(Rr3)n-m(SiO1.5)nRr3m]p[(Rr4)n-m(SiO1.5)nRr4m]q(E)；
x、y、p、q各自独立选地代表0、1、2或3，且10≥x+y+p+q≥2。


3.根据权利要求2所述的石墨...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋路谣，华永军，
申请(专利权)人：苏州桐力光电股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32